凍結法施工立井井筒風量計算方法探討

吳龍山 高智軍 李志強

（同煤集團梵王寺煤礦，山西 朔州 036002）

梵王寺煤礦設計年生產能力600萬t/a，屬低瓦斯礦井，采用立井開拓方式，在工業廣場內布置主井、副井和風井三個井筒。根據該井田水文地質狀況及鄰近礦井建設過程中的涌水情況，主立井采用全井深凍結法施工。風量計算是礦井建設施工組織設計中的重要組成部分，是掘進工作面局部通風機選型的關鍵程序，風量計算方法是否合理直接關系到礦井施工安全、職工健康和掘進工效。

1 工程概況

梵王寺煤礦主井井筒全深650m，井筒凈直徑8.5m，凈斷面56.72m2，采用凍結法施工，凍結深度為660m（見表1主井井筒技術特征表）。表土段使用小型挖掘機挖掘，高效風鎬、風鏟修邊，基巖段主要采用鉆爆破法施工。井筒基巖段施工采用中深孔光面爆破，一次爆破最多炸藥消耗量為490kg（見表2預期爆破效果表）。炸藥采用T220水膠炸藥，周邊眼藥卷規格為Φ35×400mm，重450g，其他眼藥卷規格為Φ40×600mm，重900g。凍結段外壁采用短段掘砌混合作業方式，使用挖掘機挖掘，輔以風鎬或高效風鏟刷幫，抓巖機裝罐，使用帶刃角架整體活動式金屬模板砌壁，固定段高2.0m或3.6m，使用底卸式吊桶下放混凝土。內、外層井壁間鋪設雙層聚乙烯防水塑料薄板，單層厚度為1.5mm；凍結壁與現澆混凝土外層井壁之間，鋪設25mm厚的泡沫塑料板。內壁套砌施工使用組裝式大塊金屬模板砌壁。基巖段外壁施工采用短段掘砌混合作業，固定段高3.6m（見表4主井井筒支護參數）。永久支護模板采用整體活動式金屬模板。

表2 預期爆破效果表

表3 基巖段爆破原始條件

表4 主井井筒支護參數

2 井筒通風監測情況

2.1 安全監測監控系統

安全監測監控系統傳感器的布置如下：甲烷傳感器兩臺，一臺安設在掘進工作面回風流，一臺安設在井口；氧氣傳感器一臺，設在工作面；一氧化碳傳感器兩臺，一臺安設在掘進工作面回風流，一臺安設在井口；溫度傳感器一臺，設在工作面；風筒風量傳感器一組；風機開停傳感器四臺，設在地面。

2.2 局部通風系統

為適應井筒施工需要，該井筒采用壓入式通風，初期局部通風機選用FBDⅡNo7.1/2×45型礦用防爆對旋軸流通風機，設在井口20m以外；風筒選用Φ1000mm膠質風筒，向井下壓入新鮮空氣。主備局部通風機實現“三專兩閉鎖”，且能自動切換。局部通風機性能參數如下：

額定功率：2×45kW；風量：580～850m3/min；全壓：7000～1500Pa，效率：≥80%；噪聲：≤25dB；頻率：50Hz；電壓：380/660V。

2.3 存在問題

在外壁施工過程中，爆破作業后排放炮煙時間較長，特別是在陰雨天受大氣壓的影響，排炮煙時間長達2h左右，嚴重影響工效。顯然，風量計算參數選擇不合理，導致供風量偏低。

3 風量計算方法分析

掘進工作面需要風量，應按瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、一次爆破使用的最大炸藥量、同時工作的最多人數等有關規定分別進行計算，取其中最大值作為風機選型的依據。

因井筒施工分外壁施工和內壁施工兩部分澆筑混凝土工程施工，下面結合采用凍結法施工立井現場實際分別進行計算分析：

3.1 井筒外壁施工時風量分析計算

（1）按瓦斯涌出量（二氧化碳涌出量）計算掘進工作面實際需風量

式中：

q掘CH4-掘進工作面瓦斯絕對涌出量，m3/min，采用鄰近礦井經驗數據計算，僅作為參考。

實際施工過程中，安全監控系統顯示CH4值未超0.015%；人工檢查數據CH4最大值為0.00%，CO2最大值為0.05%。顯然，井筒凍結圈低溫對煤層附存瓦斯涌出有明顯抑制作用。

（2）按人數計算掘進工作面實際需風量

式中：

N掘-掘進工作面同時工作最多人數，受作業空間影響，一般為30人，顯然需風量偏低。

（3）按一次爆破使用的最大炸藥量計算掘進工作面實際需風量

本礦井選用二級煤礦許用防凍水膠炸藥

式中：

A掘-掘進工作面一次爆破所用的最大炸藥量，kg；

10-每千克二、三級煤礦許用炸藥需風量，m3/min。

Q掘=10A掘=4900m3/min，顯然不合理。

（4）按巷道允許的最低風速計算

本井筒應采用以下公式：

式中：

S掘-掘進工作面巷道的凈斷面積，m2；

0.25 -有瓦斯涌出的巖巷、半煤巖巷和煤巷允許的最低風速，m/s。

Q=0.25×S×60=0.25×56.72×60=850.8m3/min

若引用該計算結果，在施工過程中井筒內局部存在風速不足0.15m/s現象。如在井筒Ⅵ段施工時，掘進斷面為121.8m2，砌壁后斷面為98.5m2，風速為0.14m/s。

（5）按井筒施工工作面爆破排除炮煙計算

根據《煤礦建設安全規范》（AQ1083-2011）規定，立井爆破作業所需風量通常按下式計算：

式中：

Q-掘進工作面所需風量，m3/min；

K-淋水系數，按表3取值（因井筒內無淋水，按0.8計算）；

A-一次起爆炸藥消耗量，取490kg；

S-井筒凈斷面，取56.72m2；

T-排炮煙時間，取60min；

L-掘進井筒巷道通風長度，取650m。

計算得出：Q=1054m3/min。

按上述五種方法分別計算后，取其最大值為該工作面的實際需風量。根據需風量選擇相應型號的局部通風機。可選用兩臺FBDNo8.0/2×75礦用防爆對旋軸流通風機由一趟風筒供風，主要性能參數如下：額定功率2×75kW；風量675～1260m3/min；全壓2160～7170Pa；電壓380/660V。或可選用四臺FBDNo7.1/2×30型礦用防爆對旋軸流通風機兩趟風筒供風，主要性能參數如下：額定功率2×30kW；風量 370～620m3/min；全壓 600～6624；電壓380/660V。

3.2 井筒內壁施工時風量分析計算

施工期內井壁圍巖仍處于凍結狀態，且馬頭門處煤壁已噴漿處理，井底殼也澆筑混凝土完畢，施工作業受瓦斯影響較小。因此可按巷道允許的最低風速公式計算：

式中：

S掘-掘進工作面巷道的凈斷面積，m2；

0.15 -無瓦斯涌出的巖巷允許的最低風速，m/s。

可選用兩臺FBDNo7.1/2×30型礦用防爆對旋軸流通風機由一趟風筒供風。額定功率：2×30kW；風量：370～620m3/min；全壓：600～6624Pa；電壓：380/660V。

4 結論

（1）立井井筒采用內外壁支護方式時，在計算施工所需風量時應分別考慮分析。

（2）立井采用全井深凍結法施工時，瓦斯涌出受低溫影響，對風量計算意義不大；炸藥消耗量較大時，按生產礦井掘進工作面一次爆破使用的最大炸藥量計算風量不切合實際；主要考慮采用按巷道允許的最低風速計算和按井筒掘進工作面爆破排除炮煙計算。

（3）在實際外壁作業施工中，如從耗電費用和作業空間上綜合考慮，分析對比可選用一臺較大功率局部通風機供風，以滿足按巷道允許的最低風速計算得出的風量。